第六章 海洋能
内容提要
概述
海洋资源
海洋能及其开发利用
海洋潮汐能与潮汐发电
海洋开发
中国的海区
概述
海洋起源的几种假说
1）大陆漂移说
20世纪初德国科学家魏格纳首次提出，但解释不了大陆漂移的动力。
海底扩张说：美普林斯顿大学迪茨
2）地球收缩说与膨胀说
收缩说：地球冷却过程中，地球的700 km以下的内层在张力作用下发生膨胀；700-70 km中间层发生收缩，70km以上的外壳在因中间层的收缩发生褶皱，凸起部分形成海洋，凹陷部分形成海洋或平原。
膨胀说：地球开始时热的球体，表面冷却形成外壳，后内部热量聚集，热胀冷缩导致外壳破裂。
3）月球分离说与流星下降说
月球分离说：地壳形成初期富有弹性，与潮汐波发生共振达50万年之久，最后导致大量岩浆和一部分地壳从地球飞裂出去，形成月球和海洋。
流星下降说（陨石撞击说）：流星坠落地球，发生爆炸形成太平洋盆地，流星继续深入地球内核，引起地球的膨胀和收缩，形成大西洋等。
4）大陆沉降说与基性岩化说
大陆沉降说：大陆由大陆块分裂或陷落而形成的。
基性岩化说：过热的玄武岩流沿着地壳断裂侵入到地表或喷出地壳表面，从而熔化大陆壳硅铝层，引起沉降，形成海洋式洋盆。
概述
海洋的划分
1）太平洋
2）大西洋
3）印度洋
4）北冰洋
5）南大洋---“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说”-恩格斯
海洋地形
1）海岸地貌
海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨和潮间带
2）海底地形
大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆地、海沟、海槽、海脊、海隆、海底山与平顶山、海底高原
海洋资源
海洋中的生物资源
1）生物生产能力
每年生产有机碳4300亿吨，占地球上总生物生产能力的50%
2）食物供给能力
海洋给人类提供的食物的能力，使所有耕地面积农产品产量的1000倍
矿产资源
1）海水化学资源
盐类：5x108亿吨，平铺地球表面，厚度可达150 m
燃料铀为地球含量的4200倍
镁、溴和钾主要来自海洋
2）海底矿产资源
石油：海洋石油占总储量的45%
锰结核：可供人类开采2万年，我国太平洋附近多
3）海底热液矿床
含有铜、银、铬、钼、锌等多种金属
4）可燃冰
1体积单位可燃冰可分解为164个单位体积的天然气和个体积单位水。
海洋资源
海水动力资源
1）潮汐能源
约10亿万千瓦，我国潮汐能为亿千瓦
2）波浪能
波浪冲击力可达20-30t/m2, 我国波浪能可达亿千瓦
3）海水温差能源
表层和深层间温差热能约克发电600亿千瓦。
4）海流能源
即海水平方向的流动，流速和流向都比较稳定。
主要有：由风引起的风海流
水温、盐度变化引起的密度流
潮汐引起的潮流，以及流失海水补缺的补偿流
表层流、上层流、中层流、深层流和底层流
大洋环流（黑潮）
海洋能及其开发利用
海洋温差能与温差发电
1）温差能资源特点
约几万亿瓦，表层水温与1000 m以下温差相差20 0C以上，热能转换所需的最小温差。
2）海洋温差能技术
海洋热能转换电站分：开式循环、闭式循环和混合式循环
开式循环：表层水在小于其蒸汽压得压力下蒸发，蒸汽流经经涡轮机，然后在闭式循环路中进行冷却和冷凝。
闭式循环：利用海洋表层的温水来蒸发氨或氟里昂等工作流体，蒸汽流经涡轮机后，再由从海洋深处抽上来的冷水冷凝成液体。
混合式循环：开式循环与闭式循环的组合。
3）发电效率
温差20 0C时转换效率%（理论）
温差27 0C时为9% （理论）
实际效率为%--4%之间3
4）负面影响
大量抽取冷水和排放水，对鱼卵、幼鱼有伤害
海区盐度和温度的改变，影响当地的生态系统，危及珊瑚等生物。
海洋能及其开发利用
海洋温差能与温差发电
2）海洋温差能技术
蒸发器
汽轮机
冷凝器
开式循环温差发电系统
蒸发器
汽轮机
冷凝器
闭式循环温差发电系统
海洋能及其开发利用
海洋温差能与温差发电
2）海洋温差能技术
脱气器
闪蒸器
蒸发器
混合循环温差发电系统
冷凝器
由温水泵抽上的温海水经脱气器脱气后，进入闪蒸器中进行闪蒸，形成的纯蒸汽进入工作流体的蒸发器，在蒸发器中进行热交换。用这种方法可将在闭式循环系统中蒸发器侧的生物污染物排除，同时还可以得到副产品—淡水。采用这种循环系统只需附加闪蒸器和脱气器设备。
海洋能及其开发利用
海洋温差能与温差发电
5）开发利用展望
a. 世界发展趋势
日本：建造了100kw的热能转换电站，计划再建造20MW的电站。
荷兰：已完成10MW的浮动式电站和100kw的岸基电站可行性研究。
法国：计划建造5MW的岸基电站，至今未完工
英国：已完成10MW的电站设计
美国：100MW电站已经完成原理设计。
b.成本
海洋热能转换电站每 kw投资费用为12美分/度，超过燃料电站
对常规能源的竞争力取决于副产品的市场与价格。例如副产制冷、淡化水和海产养殖等。
海洋能及其开发利用
海洋波浪能及波浪发电
1）波浪能概述
Pw波浪能的功率，H波高，T波周期， 海水密度，g重力加速度
2）波浪能资源的特征
目前大洋中的波浪难以提取，靠近海岸线的地方可供现实应用。
3）海洋波浪资源的开发利用
波浪能的利用设想数以千计，此领域被喻为：“发明家的乐园”
英国：对波浪能十分重视，世界波浪能的研发中心
挪威：岸式波力电站技术非常成熟，已经打入国际市场。
日本：研究和开发十分活跃。
美国：能源部研制的岸上/离岸波力发电系统，将海水挤压到岸上蓄水池，再发电，思想较新，已可发电414kw。
海洋能及其开发利用
海洋波浪能及波浪发电
4830
13
日本海（日本）
1920
2000
48
东北大西洋（苏格兰）
2280
49
南大洋（澳大利亚）
2080
1
21
西北大西洋（纽芬兰）
580
64
45
东部大西洋（挪威）
1090
25
波罗的海（瑞典）
875
750
北海（丹麦）
近海投资/（美元/kw）
电站规模/MW
年平均入射波功率/(kW/m)
电站位置
波能电站统计表
无
有
有
50
无
有
有
30
煤（一、二级）
煤（三级）
柴油
无
无
无
10
竞争对手
波浪能量
波浪能市场评估
煤三级：对空气无污染
煤一、二级：分别表示对空气污染物控制，只控制酸性气体污染。
海洋能及其开发利用
海洋波浪能及波浪发电
4）波浪能的利用装置
平滑波浪装置
波浪鸭:
需解决的问题：把低速的摇运动变成高速转动
电能从一定水深的活动装置上输送到较远的地方
波动水柱的装置
装置优点：把低速的波浪运动变成速度较高的气流，设备不浸在海水中。
θ
波浪鸭的效率（直径为5m,轴端固定）
/%
海洋能及其开发利用
海洋波浪能及波浪发电
4）波浪能的利用装置
c. 水下波浪能利用装置
充满气体的圆筒浮在水中，与海底支柱相连，支柱中的水泵可将圆筒运动变为流体的动能。
优缺点：避免了波浪的冲击，但维护困难。
截取波浪的装置
利用在河口发生的波浪在堤坝前打碎自然现象。水体甩起来，超过平均海平面。
“坝焦”波浪能转换装置
常使用的“收敛波道”
将分散的能量集中后转换可以使机组结构紧凑。
波浪技术
五种：上下起伏、起伏与纵摇、纵摇、震荡水柱和前后摆荡等5种。
海洋能及其开发利用
海洋波浪能及波浪发电
4）波浪能的利用装置
g. 整流式波浪能转换装置
海岸地区使用，当波峰来临时，波浪产生的压力打开向高位水池引水的单向阀B，让高位水池充水。当内部流体静压力超过了波浪产生的力时，单向阀B自动关闭，高位水池与低位水池是隔开的，高位水池内的水经C处使水轮机转动，至波浪产生的作用力在单向阀上的压力变得小于低位水池内流体的静压力时，单向阀A打开，低位水池的水流入大海。
整流式波能转换装置
发电机
高位水池
低位水池
水轮机
单向阀 B
单向阀 A
C
海洋能及其开发利用
海流能和海流发电
1）海流能发电装置
链式发电系统
旋转式发电系统: 水轮机
2）水流动能开发新技术
震荡波流式波力发电装置---中国水利水电科学研究院研制
主要采用柔性叶片横轴转子。
3）开发利用进展
墨西哥湾的暖流，提取4%的能量，可获得10-20亿千瓦电
黑潮：相当于长江流量的1000倍。
目前美国、日本、英国、中国等正在处于试验研究阶段。
海洋能及其开发利用
盐度梯度能
1）概述
利用原理：渗透压力差。
每立方英尺的淡水流入海水可发电度。
死海：淡水与咸水的渗透压力相当于5000 m的水头。
2）开发利用方法
渗透压式； 蒸汽压式
机械-化学能：利用根据浓度大小而收缩的高分子材料，在淡水和海水交换过程中推动活塞运动
理想化的渗透过程，淡水和咸水的渗透差可使海平面高出200 m以上
3）开发利用进展
目前美国、日本、以色列等正在处于初期原理和试验阶段。
以色列最近建立了150kw的盐差发电装置。
h
P=gh
36
20
半透膜
海洋能及其开发利用
盐度梯度能
2）开发利用方法
蒸汽压式利用盐水和淡水之间在沸点上升时所出现的浓度差现象，也就是说，在同一温度下盐水的蒸汽压比淡水蒸汽压低。
蒸汽压式浓度差发电系统
混合盐水出口
淡水入口
泵
泵
海水入口
热交换器
淡水的蒸发器
涡轮机
淡水的冷凝器
海洋能及其开发利用
大洋生物能转换
1）利用方法
海洋潮汐能及潮汐发电
潮汐能的成因
1）潮汐要素
低潮、高潮、高潮时、高潮高、低潮时、低潮高、潮差、涨潮差、落潮差。
2）潮汐的种类
正规半日潮：在24h50min内发生两次两次高潮两次低潮，两次高潮和低潮的潮高近似相等，高潮时和低潮时也近似相等。
混合潮：不正规半日潮（两次潮高与潮时不相等）和不正规日潮（多半个月内数天数为不正规日潮，少数天数在一个太阳日内出现一次高潮和低潮）
全日潮：半个月内1/2天出现一次高潮和一次低潮，而少数天数为半日潮。
3）天文潮（平衡潮）理论及应用
天文潮由地球、在太阳和月亮之间的万有引力和离心力相互作用引起的。海岸线形状、海底地形和暴风等非天体力可以影响局部地区潮汐的周期性涨落。
海洋潮汐能及潮汐发电
潮汐能源
1）资源特点
月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高，周期为12h25min和振幅小于1 m的深海波浪。
月球、太阳和地球在一条直线时，产生大潮；成直角时，产生小潮。
可开发的能源约10亿多千瓦。
2）中国沿海潮汐能特征及主要分区
a. 潮差急剧增大，且变化剧烈而复杂，不同地点的潮差相差4倍。
b. 潮时变化大
c. 潮汐性质变化大：台湾以北半日潮，北黄海为不规则半日潮。
潮汐能源的开发利用
1）我国利用史
1025年，燕肃在写出《海潮论》和《海潮图》。提出潮汐“随日而应月，依阴而附阳”计算潮时非常准确。
50年代，三座代表性潮汐电站
大良潮汐发电站：位于广东，设计总容量144kw，平均潮差为
集美太古电站：福建厦门，陈嘉庚出资设计220kw,实际为110kw。
沙山潮汐站：浙江40kw，唯一至今还保存下来的小型潮汐电站。
海洋潮汐能及潮汐发电
潮汐能源的开发利用
2）国外利用史
法国：1968年建成朗斯电站，容量24万千瓦，投入最早容量最大。
加拿大：1984安娜波利斯建成万千瓦世界第二大潮汐电站
美英、印度、韩国、俄罗斯等都在计划建造大型的电站。
3）潮汐能技术
落潮发电：水位保持到退潮，然后通过水轮机放入海中，发电。
涨潮发电：涨潮前将水库水清干，然后涨潮时发电。
涨潮落潮结合型
三种改进电站出力的方法
依靠大容量和具有较大储能能力的河流水力电站
采用泵水储能方法来改变发电时间
压缩空气能量存储法。
开发方式上分：
单库双向工作电站
单库单向工作电站
双库单向电站
双库（电站设在两库之间的开发方式）
双库单向工作，有水泵的
双库，两个电站一个抽水站的开发方式
海洋潮汐能及潮汐发电
潮汐能源的开发利用
3）潮汐能技术
开发方式上分：
单库双向工作电站；单库单向工作电站；双库单向电站
双库（电站设在两库之间的开发方式）； 双库单向工作，有水泵的
双库，两个电站一个抽水站的开发方式
潮汐能发电平面示意图
a) 单库单向式 b) 单库双向式 c）双库型
a
b
c
水库
水库
高水库
低水库
水闸
电站厂房
坝
海洋潮汐能及潮汐发电
世界上正在运行的大型潮汐电站
30
6
安娜波利斯（加拿大）
11
-
540
发电量/（
2
江厦（中国）
2
Kis laya(前苏联)
240
17
朗斯（法国）
装机容量/MW
库区面积/平方公里
平均潮差/m
站址
1）朗斯电站
1967年建成，是世界迄今利用潮汐能或海洋能发电规模最大的电站。
灯泡贯流式水轮机发电机组，正反向发电，正反向抽水，正反向泄水
2）基斯洛湾潮汐电站
可逆式灯泡机组
3）江厦潮汐电站
1980年建成，机组可适应水流正反向变化。
4）安娜波利斯电站
落潮发电运行
海洋潮汐能及潮汐发电
潮汐发电技术经济的可行性
1）技术的可行性
朗斯电站、我国的小电站证明技术可行性问题已解决
今年来，不用修建大坝便可利用潮汐发电的技术的出现又进一步降低了潮汐发电的建设费用。
2）经济性
我国：2000-2500元/kw
法国：朗斯电站成本分/度，热电为分/度，核电分/度，水电分/度
3）潮汐电站的适用条件
天然条件：可再生能源，取之不尽，用之不竭。
无需燃料运输，运行费低。
不污染环境。
4）社会和经济效益
我国的能源分布，华东沿海少煤少油，能源需求大，避免西电东输
海洋开发
概述
1）存在的开发困难
a. 人在水中不能呼吸，需开发人工腮，即水肺
b. 适用水中呼吸器，水压是大障碍，60m时发生氮醉
c. 深海中光线缺乏，视野狭窄
漆黑
100m
昏黑
70m
蓝黑色
60m
嫩绿色，近乎黄昏的感觉
50m
绿色
30m
失去红色成分
20m
秋天天空中的蓝白色
6m
颜色
水深
海洋开发
概述
1）存在的开发困难
d. 深海中压力大，需要耐压设备,下潜3000m，达到30MPa
f. 海底内电磁波急剧衰减，声波传输距离比较近
g. 海洋自动机在潜行时需要不断的推动力
h. 海洋自动机的行动无规律可循，不想宇宙飞船的轨道可以计算出来。
海洋开发的趋势
1）海洋法律制度发生了重大变革，沿海国家扩大了海洋国土面积
《联合国海洋公约》
2）海洋技术作为高新技术的主要内容之一，发展十分迅速
20世纪70年代创造了水下300m，作业14天的记录
3）海洋石油工业的兴起，标志着海洋开发进入新的阶段
4）海洋军事利用与海洋开发日益结合
海洋开发
海洋开发的产业结构
1）传统海洋业
海洋渔业、海水制盐和海洋运输业
2）新兴的海洋产业
海洋石油工业、海洋服务业、海洋旅游业
3）技术准备，重点开发
海水化学资源提取，海底锰结核开发
海洋开发的基本特点
1）现代海洋开发式一个新的技术体系
开发难度大，技术要求高
海洋产业结构复杂，门类多，层次多，横向联系密切
开发投资多，成本高，风险大
开发的国际性
2）海洋开发是综合性的大型立体化工程
海洋工程综合技术性强
综合性表现在海洋技术应用的综合上
海洋各类资源的开发利用上
3）海洋开发是密集型的科学技术
4）潜在的价值和巨大的投资
中国的海区
中国的大陆海域
1）渤海
大部分被陆地环抱
2）黄海
与朝鲜半岛接近，水产资源丰富
3）东海
海堤蕴藏丰富的石油资源，物产丰富
4）南海
在东南亚沿海的海域相继发现大油田，预言将成为未来的“波斯湾”。
中国海域的特点
近海的特点
1）地理纬度适中，气候温度适宜
2）浅海陆家宽广，海洋资源丰富
潮汐、波浪、盐度差能的蕴藏量在1亿千瓦以上。
3）沿岸人口稠密，经济发达
